一种考虑径流演变时空异质性的分布式归因方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑径流演变时空异质性的分布式归因方法，包括如下步骤：建立分布式水文模型，对研究区域按子流域进行天然径流还原计算；根据径流演变特征划分研究时期；分析天然径流时空分布与影响因子相关性，构建重要影响因子集；对天然径流演变逐时段、逐子流域、逐因子滚动式归因；对实测径流演变逐时段、逐片区、逐因子滚动式归因。本发明专利技术根据径流演变的时程特征，将研究时期细分为多段，根据空间地形地貌特征将研究区域细分到子流域，分别从天然和实测径流入手，将径流演变在时间和空间的维度上归因到影响因子，获得的归因结果充分考虑了径流演变的时空异质性。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑径流演变时空异质性的分布式归因方法
本专利技术设计水利工程领域中的径流演变归因技术，特别涉及一种考虑径流演变时空异质性的分布式归因方法。
技术介绍
径流是水文循环中最重要的组成部分之一，在当前的变化环境下，理解径流的产生、变化及变化的潜在原因，对进行高效的水资源管理有着重要意义。径流过程与大气环流、气候变化、流域内下垫面和人类社会经济等诸多要素密切相关，径流变化是这些要素共同作用、交织影响的综合结果，从而显示出复杂多变、难以预测的特征。伴随人口的快速增长，水资源的供需矛盾日益激烈，厘清气候变化和人类活动等诸多因子分别对径流的影响作用，对预测未来水资源情势、水资源管理适应性决策有着至关重要的作用。径流演变的归因技术旨在定量分析径流时空变化的成因，为预测未来径流、制定水资源管理的适应性对策提供依据，针对不同的成因和影响程度做出具有针对性、便于操作的适应性调控决策。国内外变化环境下径流变化的归因研究取得了长足的发展，但从当前见诸文献的成果看，目前的归因技术通常将研究时期分为天然期和变化期两段，给出整个研究区域的归因结果，对径流演变的时空异质性考虑尚显不足。
技术实现思路
专利技术目的：提供一种考虑径流演变时空异质性的分布式归因方法，以解决现有技术存在的上述问题。技术方案：一种考虑径流演变时空异质性的分布式归因方法，包括以下步骤：步骤(1)建立分布式水文模型，对研究区域按子流域进行天然径流还原计算；具体为:依据研究区域地形地貌数据生成水系、划分子流域，基于地形地貌数据、土地利用覆被数据、土壤类型数据生成水文响应单元，从而建立起分布式物理水文模型SWAT模型结构。采用LH-OAT(LatinHypercubeOne-factor-at-a-time)敏感性分析技术，在模型众多参数中选出重要敏感的参数。通过率定敏感参数，获得满足评价要求的模型，进行天然径流还原计算。步骤(2)根据径流演变特征划分研究时期；具体为:初始的长时间序列往往是由多段具有明显变化特征的中短时间序列组合而成，而总体的时程演变规律并不明显。因此，在传统分析的基础上对初始时间序列进行分段，将其划分为若干个径流子序列，然后分段分析各径流序列的时程演变特征。步骤(3)分析天然径流时间、空间分布与影响因子时间、空间分布相关性，构建重要影响因子集；具体为:根据气象站气象因子时间序列计算子流域气象因子面平均序列；从土地利用/覆被资料中提取子流域的土地利用类型面积。对各个时段，分析影响因子绝对值与变化值的空间分布状况，采用独立性检验的方法评价天然径流时空变化与影响因子的相关程度。参照独立性检验的结果，确定径流时空分布与影响因子之间的相关性程度，选取高相关性的因子组成重要影响因子集。步骤(4)对天然径流演变逐时段、逐子流域、逐因子滚动式归因；具体为:述步骤4中，对天然径流演变逐时段、逐子流域、逐因子滚动式归因。将全流域共划分为n个子流域，研究期共包含m个时段，重要影响因子集中共有nF个因子，将第j个子流域(j＝1,2,...,n)在第i个时段(i＝1,2,...,m-1)内的天然径流量记为在第i+1个时段(i＝1,2,...,m-1)内的天然径流量记为令第i个时段重要影响因子集中其他nF-1个影响因子保持不变，将影响因子F替换为第i+1个时段的相应数值，输入流域SWAT模型模拟天然径流，将第j个子流域的径流量记为则可计算第j个子流域从第i个时段到第i+1个时段的天然径流变化量影响因子F对天然径流变化的贡献第j个子流域从第i个时段到第i+1个时段的天然径流变化程度影响因子F变化引起天然径流变化程度为：各时段内的流域径流特性存在空间差异，各子流域的径流量分属不同的大小级别，各级别的径流在时段间演变时所受各影响因子的影响不尽相同，展开不同大小级别的径流演变归因分析；各时段间的流域径流演变特性也存在空间差异，各子流域的径流变化程度分属不同级别，各变化程度的径流在演变时所受各影响因子的影响不尽相同，展开不同变化程度的径流演变归因分析。步骤(5)对实测径流演变逐时段、逐片区、逐因子滚动式归因,具体为:流域实测径流在数量上等于天然径流扣除人类直接取用水的值，其重要影响因子为天然径流重要影响因子集和人类直接取用水。依据研究区域N个片区的水文监测资料计算出每个片区的实测径流。天然径流演变按照步骤4逐时段、逐片区、逐因子滚动式归因，人类取用水因素对片区实测径流演变的贡献和贡献度计算如下：有益效果：通过建立基于物理机理的分布式水文模型，用以还原计算研究区域天然径流；依据地形地貌划分子流域，依据径流时程演变规律划分子时段，后续的径流演变归因都基于此；分析天然径流时空分布与影响因子相关性，构建了重要影响因子集；通过对天然径流演变逐时段、逐子流域、逐因子滚动式归因、对实测径流演变逐时段、逐片区、逐因子滚动式归因，在时间和空间两个维度给出了归因结果，充分考虑了径流演变的时空异质性。附图说明图1为径流演变时空异质性的示意图。图2为本专利技术方法的流程图。图3为研究时期划分时段方法的流程图。图4为泰森多边形构建的示意图。图5为子流域K-均值聚类的流程图。具体实施方式下面结合附图，通过实施例对本专利技术的技术方案做进一步具体描述。本专利技术提供一种考虑径流演变时空异质性的分布式归因方法，包括以下步骤：步骤(1)建立分布式水文模型，对研究区域按子流域进行天然径流还原计算；具体步骤如下：步骤(11)依据地形地貌数据生成研究区域河网水系结构，包括河网水系、连接点、出水口、入水口，修整河网水系、连接点，添加另外的出入水口或删除不需要的出入水口；设定子流域面积阈值，根据水力联系划分子流域，计算子流域几何参数、地形参数和水流路径，生成子流域报告；步骤(12)生成水文响应单元：载入坡度数据、土地利用覆被数据、土壤类型数据，设定归类阈值，将阈值内的坡度、土地利用覆被、土壤类型认定为同一类，同时具有相同类坡度、土地利用覆被、土壤类型的单元为水文响应单元，从而建立起分布式物理水文模型SWAT模型结构；所述水文响应单元是模型结构的最小单元，也是水文平衡计算的参照单元，生成水文响应单元报告；步骤(13)输入数据试运行：创建模型数据库，包括配置文件、土壤数据、天气发生数据、子流域数据、水文响应单元数据、主要河道数据、地下水数据、取用水数据、管理数据、水库数据、流域数据，试运行模型；步骤(14)模型参数敏感性分析：采用LH-OAT(LatinHypercubeOne-factor-at-a-time)敏感性分析技术，将模型众多参数按照敏感度进行排序；首先将P个参数的原始范围分成Npar段，对其进行Npar次拉丁超立方抽样，通过扰动抽样点P次，计算敏感度；对于第a个参数在第b个抽样点处的敏感度Sa,b(％)可以由下式计算：式中，M(·)代表模型方程，fa代表参数扰动，ea,b代表第a个参数在第b个抽样点处的取值；参数的敏感性可以依据每个参数的敏感度均值排序；为了反映研究区域模型参数的空间异质性，对每个观测控制点以上(即上游)的子流域采用一套敏感性参数集，整个大区域采用多套敏感性参数集；步骤(15)率定敏感性参数集：选取满足ENS＝max{ENS(t)}，即ENS最大的一次作为模型的最佳模拟，ENS如下式计算：式中，Qot为第t本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑径流演变时空异质性的分布式归因方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)建立分布式水文模型，对研究区域按子流域进行天然径流还原计算；步骤(2)根据径流演变特征划分研究时期；步骤(3)分析天然径流时间、空间分布与影响因子时间、空间分布相关性，构建重要影响因子集；步骤(4)对天然径流演变逐时段、逐子流域、逐因子滚动式归因；步骤(5)对实测径流演变逐时段、逐片区、逐因子滚动式归因。

【技术特征摘要】
1.一种考虑径流演变时空异质性的分布式归因方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)建立分布式水文模型，对研究区域按子流域进行天然径流还原计算；步骤(2)根据径流演变特征划分研究时期；步骤(3)分析天然径流时间、空间分布与影响因子时间、空间分布相关性，构建重要影响因子集；步骤(4)对天然径流演变逐时段、逐子流域、逐因子滚动式归因；步骤(5)对实测径流演变逐时段、逐片区、逐因子滚动式归因。2.根据权利要求1所述的一种考虑径流演变时空异质性的分布式归因方法，其特征在于：所述步骤(1)具体包括如下步骤：步骤(11)依据研究区域地形地貌数据生成水系，划分子流域；步骤(12)基于地形地貌数据、土地利用覆被数据、土壤类型数据生成水文响应单元，从而建立起分布式物理水文模型SWAT模型结构；步骤(13)输入数据试运行模型；步骤(14)采用LH-OAT(LatinHypercubeOne-factor-at-a-time)敏感性分析技术，在模型众多参数中选出重要敏感的参数；步骤(15)通过率定敏感参数，获得满足评价要求的模型，进行天然径流还原计算。3.根据权利要求1或2所述的一种考虑径流演变时空异质性的分布式归因方法，其特征在于：所述步骤(1)具体为：步骤(11)依据地形地貌数据生成研究区域河网水系结构，包括河网水系、连接点、出水口、入水口，修整河网水系、连接点，添加另外的出入水口或删除不需要的出入水口；设定子流域面积阈值，根据水力联系划分子流域，计算子流域几何参数、地形参数和水流路径，生成子流域报告；步骤(12)生成水文响应单元：载入坡度数据、土地利用覆被数据、土壤类型数据，设定归类阈值，将阈值内的坡度、土地利用覆被、土壤类型认定为同一类，同时具有相同类坡度、土地利用覆被、土壤类型的单元为水文响应单元，从而建立起分布式物理水文模型SWAT模型结构；所述水文响应单元是模型结构的最小单元，也是水文平衡计算的参照单元，生成水文响应单元报告；步骤(13)输入数据试运行：创建模型数据库，包括配置文件、土壤数据、天气发生数据、子流域数据、水文响应单元数据、主要河道数据、地下水数据、取用水数据、管理数据、水库数据、流域数据，试运行模型；步骤(14)模型参数敏感性分析：采用LH-OAT(LatinHypercubeOne-factor-at-a-time)敏感性分析技术，将模型众多参数按照敏感度进行排序；首先将P个参数的原始范围分成Npar段，对其进行Npar次拉丁超立方抽样，通过扰动抽样点P次，计算敏感度；对于第a个参数在第b个抽样点处的敏感度Sa,b(％)可以由下式计算：式中，M(·)代表模型方程，fa代表参数扰动，ea,b代表第a个参数在第b个抽样点处的取值；参数的敏感性可以依据每个参数的敏感度均值排序；为了反映研究区域模型参数的空间异质性，对每个观测控制点以上(即上游)的子流域采用一套敏感性参数集，整个大区域采用多套敏感性参数集；步骤(15)率定敏感性参数集：选取满足ENS＝max{ENS(t)}，即ENS最大的一次作为模型的最佳模拟，ENS如下式计算：式中，Qot为第t时刻的实测径流，为各时段实测径流的平均值，Qst为第t时刻的模拟模拟，T为序列长度；ENS用以描述模型的拟合程度，除ENS外，采用确定性系数R2评价模拟径流和实测径流的线性相关程度，采用相对误差Re(％)评价模拟结果的偏差，计算公式分别为：式中，为各时段模拟径流的平均值，Qot为第t时刻的实测径流，为各时段实测径流的平均值，Qst为第t时刻的模拟，T为序列长度。4.根据权利要求1所述的一种考虑径流演变时空异质性的分布式归因方法，其特征在于：所述步骤(2)具体为：在传统分析的基础上对初始时间序列进行分段，将其划分为若干个径流子序列，然后分段分析各径流序列的时程演变特征；对时间序列进行多层次的分段。将初始时间序列作为一级时间序列，进行Pettitt突变检验，找到一级突变点，于是初始时间序列被划分为突变点前后的两个二级时间序列，以此类推，不断运用Pettitt法寻找逐级时间序列的突变点，在突变点处将时间序列进行分段；通过Mann-Kendall趋势分析的显著性检验，当某时间序列具有显著的趋势变化特征，或序列长度L小于给定的长度阈值Lm，或序列级别数C大于给定的级别阈值Cm时，将不再对该时间序列进行分段；对于时间序列X，序列长度为T，构造时刻t时的Pettitt检验统计量Ut,T：式中xd和xc为时间序列X的要素，记统计量Ut,N的最大值为kτ＝max{Ut,T}，对应的时间τ就是突变点，显著性水平P检验公式如下：P＝2exp{-6(kτ)2/(T3+T2)}T为序列长度；对于时间序列X，构造Mann-Kendall检验统计量S和Zc：当Zc＞0时，表明时间序列X随时间有增加趋势，Zc＜0时表明时间序列X随时间有减少趋势，当|Zc|＞Z1-α/2时，Z1-α/2为标准正态离差，α为显著性水平，表明时间序列变化趋势统计意义显著。5.根据权利要求1所述的一种考虑径流演变时空异质性的分布式归因方法，其特征在于：所述步骤(3)具体为：步骤(31)根据气象站气象因子时间序列计算子流域气象因子面平均序列；从土地利用/覆被资料中提取子流域的土地利用类型面积；将子流域气象因子和子流域的土地利用类型面积作为径流变化的影响因子；步骤(32)对各个时段，依照影响因子时空分布特征对各子流域进行K-均值聚类，分析影响因子绝对值与变化值的空间分布状况；步骤(33)采用独立性检验的方法评价天然径流时空变化与影响因子的相关程度；参照独立性检验的结果，确定径流时空分布与影响因子之间的相关性程度，选取高相关性的影响因子组成重要影响因子集。6.根据权利要求1或5所述的一种考虑径流演变时空异质性的分布式归因方法，其特征在于：所述步骤(3)具体为：步骤(31)确定子流域影响因子特征值：根据各气象站气象因子值求解各子流域气象因子值，首先，根据各气象站的位置点据，构建泰森多边形；每个气象站点据分别落在一个泰森多边形中，认为泰森多边形覆盖的面积即为该气象站所控制的面积，由此可得各气象站的控制范围；用加权平均的方法，由各站气象因子值计算各子流域气象因子值：式中，Cj为第j个子流域的气象因子值；Aj为第j个...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟平安，张宇，陈娟，朱非林，万新宇，徐斌，付吉斯，杨敏芝，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32